关键词：深部复杂岩体，地电场监测，注水实验，电阻率，自然电位，激励电流
0 引言
    矿井突水是制约煤矿安全生产的重大灾害之一，据资料统计，我国煤矿的突水淹井事故80％以上是由于断层、陷落柱等复杂岩体引起的，复杂岩体的突水机理成为现煤矿突水研究的关键^[1,2]。目前，对岩体、岩块的破裂机理研究较多，而对岩体中水体渗流过程的原位探测实验研究很少，煤矿生产实际中，查明地质体中水体渗流范围和程度，对矿井水害的预测预报有实际意义。
    通过对已知岩体控制注水，同时采用网络并行电法技术测定地电场参数^[3]，分析水体渗流方向及其赋存空间的变化规律，将地电场测试的动态电阻率、自然电位、激励电流等参数运用到分析复杂岩体渗流研究中，为煤矿突水机理认识和水害预警提供地电场方法和依据。
1 复杂岩体注水试验区及地电场观测系统
1.1 岩体注水试验区
    试验地点选取济北矿区的一个煤矿，地面标高+40m，实验巷道底板标高﹣675m；实验地层为晚古生代的石炭、二叠纪煤系地层，巷道揭露的F6正断层横穿煤系地层，F6断层产状133°∠35°，H＝45m，由该断层与煤系构成的复杂岩体作为实验对象。如图1所示，由巷道、侧帮一个水平观测钻孔和注水孔构成原位试验区。
    F6正断层上盘属于下二叠系山西组地层，由砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层组成。F6断层下盘属于石炭系太原组地层，主要由粉砂岩、泥岩、灰岩及煤层组成。岩层分层结构清晰，组成一个小向斜，如图1所示。
1.2 地电场观测系统
    试验利用﹣675巷道作为巷道测线，巷道测线(FJ)长46.5m，布置32个电极，电极距1.5m，电极编号依次为d1～d32；在巷道侧帮，离F点28m布置一个与巷道垂直的水平钻孔，钻孔方位158°，在水平钻孔内布置16个电极，电极距1.5m，电极编号依次为d33～d48，钻孔测线(GK)长24m，钻孔测线采用全孔注浆耦合方式进行电极安装；N极置于﹣675巷道侧帮上，距离d32电极20m；B极置于﹣675巷道底板上，距离d32电极400m，如图2所示。巷道中揭露F6断层在d25与d27之间；注水钻孔孔口位于d1电极附近的F点位置，注水孔全长28.2m、方位角198°、俯角21.6°，注水孔穿过断层界面2m，终孔位于断层下盘三灰中，注水孔沿孔口下套管24m，钻孔穿断层面，在上下两盘各保留2m裸孔，确保注水进入断层。
    数据采集采用自行研制并获国家发明专利的网络并行电法仪(WBD)，该仪器运用公共参照电极N同步测量d1～d48的电位差值作为各电极的电位值，公共供电负极B作为供电电流测量依据，实现自然电场、一次场和二次场的全电场时空观测^[4]，注水过程中并行电法选用AM模式连续采集(基本参数设置：每次供电时间0.5s，采样间隔20ms，供电方式为单正法)；并用实时记录注水量、流速和水压力，直到注水压力不能上升或者降低为止、巷道中出现渗水现象，停止注水。
2 试验过程与注水数据分析
    试验根据注水过程细分为6个时段，如表1所示。试验第1时段试注水，注入水量1.55m³；第2时段停止注水，检查管路与测试系统；第3时段低压注水1h；第4时段升压注水0.5h；22：10停止注水后为第5时段，并至次日14：00巷道风干，为第6时段。3次注水时段累计注入水量5.64m³。

表1 试验阶段及注水参数

    图3为试验第3、4时段注水过程中压力和流量变化曲线。第3时段注水压力稳定在0.28MPa，流量也基本稳定在0.12m³/h，表明该断层带岩层裂隙存在着贮水空间，随着注入水量增加，裂隙被水逐渐充满^[5]。第4阶段注水压力呈阶梯式增大，压力稍加增大，流量出现跳变至最大值，达7.08m³/h；此后流量与注水压力呈反比关系变化，在21：44，压力达3.5MPa，流量下降至极小值为1.15m³/h，此后流量又快速回升；在21：52，在巷道断层出露点位置(d26～d27)出现渗水，此后流量趋向稳定在5.17m³/h。从整个注水曲线变化来看，注水压力与流量的变化主要由断层带的局部活化和各向异性岩体内部导水通道演化而造成，表现为非达西渗流特征^[6,7]。

图1 试验区地质剖面图


图2 试验区测线、注水孔布置和F6断层示意图

图3 试验第3、4时段注水流量和压力随时间变化曲线

3 岩体注水渗流地电场特征分析

    整个试验过程共采集102组网络并行电法数据，对每个阶段每组AM数据进行解编处理，得到地电场参数：电阻率、自然场和激励电流，以此分析岩体渗流过程中地电场特征。
3.1 渗流过程电阻率特征分析
    电阻率反演采用美国Advanced GeosciencesInc．开发的商业电法三维反演软件EarthImager 3D软件处理，将巷道测线和钻孔测线数据联合进行全空间视电阻率反演，得到测线下部岩体三维反演电阻率数据体，选取试验过程中6组不同时刻的电阻率数据体的巷道切片进行岩体渗流过程电阻率特征分析，如图4所示。在注水过程中，岩体内富水量增加，导电能力增强，电阻率降低^[8,9]。图4a为岩体电阻率背景值，图中的3个相对低阻异常区Y1、Y2、Y3与岩性和钻孔施工过程中水体渗入有关，并存在于后续的切片中；图4b为试验第1时段注水结束后巷道电阻率切片，与背景值对比，断层下盘的Y3低阻区域相对扩大；其他区域电阻率稳定，表明注入水体主要分布在F6断层下盘。图4c为试验第3时段注水23分钟后巷道电阻率切片，Y3异常区明显扩大，并绕过上部的相对高阻异常Y4在断层下盘与低阻异常Y2联通，表明水体沿断层下盘向上运移。图4d断层下盘岩层电阻率基本全部下降到50Ω•m，主要分布在断层下盘Y2、Y3的空间，说明断层控制了水体的渗流，水体沿断层下盘与巷道相交处渗出。图4e、f为试验第5、6时段停止注水后巷道电阻率切片，显示停止注水后低阻异常区域逐渐减小，次日14：00巷道切片电阻率上升至与背景值基本一致。图4中的Y4高阻异常，起到堵塞作用，这可能是导致注水压力与流量异常变化的一个原因。

图4 不同时刻巷道电阻率切片

图5 d20～d32电极的自然电位随时间变化曲线

图6 20#～30#电极的激励电流随时间变化曲线图

3.2 岩体渗流过程自然电位特征分析

    选取巷道d20～d32电极不同时刻自然电位分析，如图5所示。试验第l时段17：03注水至18：30结束。自然电位逐渐上升；试验第2时段停止注水，自然电位下减；试验第3时段注水，自然电位又出现上升，21：26停止注水，自然电位再次下降；试验第4时段，随着注水量的增加自然电位增加到极值点(21：52巷道出水)。试验第5、6阶段停止注水后，自然电位下降并与次日稳定至最小值。自然电位的高低变化与水流的升降一一对应。而且发现不同电极所对应的自然电位的升高幅度也有明显区别，从图5中可以直观地发现，d27自然电位相对波动范围最大，达到100mV，d24的波动范围为70mV，其他电极波动范围显著减小。对比实际巷道出水位置为d27、d26电极位置，按照渗流电场原理可以解释d27为出水点，与实际情况相符。因此自然电位的相对升降与其幅度的大小反应了，岩体水体渗流的变化过程，并指示出水点的位置。
3.3岩体渗流过程激励电流特征分析
    提取试验第4时段d22～d29电极分别与无穷远B极的供电电流形成一次场激励电流进行分析，如图6，图中每个电极的激励电流总体比较稳定，在21：42～21：57，d27、d26、d25等电极电流出现明显波动上升趋势，这与20：52这些电极渗水相对应。距离出水点远的电极激励电流相对平缓。随着出水点继续渗水，激励电流值继续保持上升趋势；22：10停止注水后，激励电流出现下降现象。因此，激励电流对水体有一定敏感性，当水体在岩体中渗流没有达到电极位置时，电流基本保持稳定，当水体渗流到电极位置处，电流值突变增长。不同电极激励电流大小与出水位置、时间相对应。
4 结论与展望
    本次岩体注水实验表明，复杂岩体的水体渗流过程，采用电阻率、自然电位和激励电流等地电场参数进行渗流过程以及断层控水作用的研究有明显效果。
    实时电阻率切片反应岩体中断层对水体扩散的控制作用，并能跟踪水体渗流方向，结合岩层特征分析，可以进一步分析不同岩层和破碎带的渗流速度、储水量等参数。对于分析岩体渗流的动力学机理有明显效果。
    通过出水点电极位置自然电位、激励电流变化规律分析，试验进一步验证了岩体渗流过程中自然电场波动规律和激励电流变化规律，即自然电位随着岩体内水体渗流的逼近而上升，随着水体回落而下降的规律；激励电流明显升高与渗流水体位置相对应。
    本次试验表明地电场特征对复杂岩体渗流规律监测具有针对性，可作为矿井水害预测预报和确定出水点位置与时间的依据，由于现场测试工程布置是根据水源与出水通道的位置进行合理布设，因此，实际监测工作还需要进一步的研究。
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 摘自《地球物理学进展》2013年6月第28卷第3期